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Ingenieria sanitaria a4_capitulo_07_conduccion_de_las_aguas
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  1. 1. Ingeniería Sanitaria- UTN - FRRO Docente: Ing. Jorge A. Orellana Unidad Temática Nº 7 CONDUCCION DE LAS AGUASObras de Conducción En el presente capitulo estudiaremos los aspectos inherentes de las obra de conducción de agua potable. Se tocarán los ítem de transporte en tuberías o acueductos, bombeo, depósitos de almacenamiento, distribución a losconsumidores, incluyendo los diversos accesorios que componen la obra. El diseño de las obras de conducción y distribución presenta variables propias de cada proyecto, por ejemplo el lugar decaptación, su distancia a la planta de tratamiento, ubicación de la misma y su distancia la lugar de distribución y consumo, porlo que iremos tratando los temas por separado, y será tarea de los profesionales, integrarlos en su proyecto específico.Acueductos Para la conducción de grandes volúmenes de agua tratada o a tratar, utilizaremos acueductos cerrados de tuberías oabiertos, los canales. Los canales abiertos se utilizan en algunas ocasiones para conducir el agua desde la captación hasta la planta detratamiento, pero nunca agua tratada, por los problemas que veremos a continuación. Si bien el uso de canales abiertos tiene la ventaja de que permite emplear materiales baratos y ahorrar en la obra, tienelas siguientes desventajas:  Hay que ajustarse al gradiente hidráulico del agua  Se producen pérdidas de agua por filtraciones y evaporación  Existe peligro de contaminación del agua, especialmente en zonas pobladas o industriales  En climas fríos puede generare hielo que produce pérdidas de carga  Perturbaciones en el canal por raíces de árboles o agujeros de roedores. Las secciones transversales mas usadas son la trapezoidal, semihexágono y semicírculo. Además si los terrenos que atraviesan son muy porosos, el canal deberá revestirse en hormigón, lo cual incrementanotablemente el costo de las obras. Los conductos cerrados construidos in situ, son los que normalmente se denominan acueductos. Se los puede clasificarde la siguiente manera:  Construcción a cielo abierto, siguiendo el gradiente hidráulico.  Construcción a cielo abierto, por debajo del gradiente hidráulico y por ello bajo presión.  Túnel, siguiendo el gradiente hidráulico  Túnel, por debajo del gradiente hidráulico y por eso bajo presión. Una variante del acueducto construido in situ es la que emplea conductos prefabricados o tuberías. Las ventajas delacueducto sobre la tubería son:  La posibilidad de uso de materiales locales como arena y grava  Mayor vida útil, especialmente sobre la tuberías metálicas, no sobre las plásticas.  Menor pérdida de capacidad hidráulica con el transcurso del tiempo, ya que no se producen incrustaciones por corrosión. Estas ventajas podría dar origen a un menor costo inicial, que combinado con costos menores de mantenimiento decómo resultado que la instalación sea mas económica que la de tubería, pero ofrece también algunos inconvenientes:  Un acueducto debe construirse en su tamaño definitivo, por el contrario con tuberías, pueden instalarse al principio diámetros pequeños y sumarle otros en paralelo.  La compensación de desmonte y relleno, exige a menudo que el acueducto se adapte a la superficie del terreno interfiriendo con los desagües naturales, dando origen también a terraplenes antiestéticos. Los acueductos construidos in situ, salvo los de hormigón armado, se construyen ordinariamente de sección enherradura, forma que ofrece favorables propiedades hidráulicas, estable, resiste bien la presión del terreno, economizamateriales y es fácil de construir. Los túneles no sujetos a presión se construyen también en forma de herradura. Si conducen agua a presión, se emplea lasección circular. En la actualidad se emplean túneles para llevar el agua hasta el interior de algunas ciudades, enlazándose conla red de tuberías principales mediante conexiones verticales. Estos túneles debe ser totalmente estancos.Versión: 2005 Página 1
  2. 2. Ingeniería Sanitaria- UTN - FRRO Docente: Ing. Jorge A. OrellanaCañerías. Tipos y Materiales Pueden usarse tuberías o cañerías para conducir grandes caudales de agua, en cuyo caso hacen el mismo papel que loscanales abiertos y los acueductos mencionados mas arriba. Los materiales mas usados son: hormigón armado, fundición dehierro, acero, fibrocemento y plástico. Las tuberías debe seguir en general, el perfil del terreno y se colocan de la manera mas favorable en cuanto al costo deconstrucción y presión resultante. Definido el perfil de la tubería, se instala prestándose particular atención a la línea degradiente hidráulico. Cuando mas se adapte el perfil a este gradiente hidráulico, menor será la presión en la tubería, lo que dacomo resultado un menor costo de la misma. Las grandes presiones pueden evitarse, a veces, rompiendo la continuidad de latuberías con aliviadores o depósitos auxiliares. Los primeros evitarán también la fuerte presión estática que se produce al cerrarel extremo inferior de la tubería para reparaciones. Las velocidades deben ser lo bastante altas para evitar depósitos desedimentos en la tubería, 0,60 a 0,75 m/seg, es una velocidad satisfactoria, pero debe siempre ser verificada con lascondiciones propias del agua a transportar. En los puntos bajos de la tubería se colocan derivaciones de purga con válvulas para desaguar y limpiar los sedimentosacumulados. Debe evitarse que los puntos altos de la tubería queden por encima del gradiente hidráulico, puesto que en ellos seproduce sifonamiento. En general todos los puntos altos de las tuberías largas acumulan el aire disuelto en el agua. Lasválvulas de aire y vació y las purgas de aire se colocan en estos puntos. Mas adelante se darán detalle de las mismas. Lasprimeras se emplean para que el aire salga cuando se llena la tubería y entre automáticamente cuando se vacía, lo que tieneespecial importancia si son tubos de paredes delgadas como los de acero, ya que un vacío parcial, puede producir tensionesobre la misma que provoquen su hundimiento o rotura. Para decidir cual tipo de tubería se debe usar en una conducción larga por gravedad, debe considerarse la capacidadhidráulica, la duración, el costo de mantenimiento y el costo inicial. Ha de tenerse en cuenta, también la clase de agua que hade conducirse y sus posibles efectos corrosivos sobre el material del tubo, que quizás, podrá producir una serie reducción en suvida útil. El material del tubo que de el menor costo anual, será el mas económico. En tuberías que conduzcan agua que ha sidoelevada, la pérdida de carga no viene determinada totalmente por la topografía del terreno, sino que depende en gran medida dela velocidad del agua en aquellas. El problema consiste en adoptar un material y un tamaño de tubería que den un mínimocosto anual. Los tubos de gran diámetro con velocidad y pérdida por rozamiento menores, darán un costo mas bajo de energía,pero un mayor costo inicial y cargos de mantenimiento elevados.Obra de distribución A continuación vamos a estudiar los elementos que componen la red de distribución y por último los métodos decálculo para la red de distribución. La obra de distribución que se debe ejecutar está constituida por varios elementos a saber:  La cañería y sus piezas especiales como curvas, ramales, reducciones, etc.  Los accesorios tales como válvulas esclusa y mariposa, válvulas de aire, cámaras de desagüe y limpieza, válvula reductora de presión, etc.  Las conexiones domiciliarias y sus componentes  Los tanques de reserva o almacenamiento y las cisternas asociadas a los mismos  Las estaciones de bombeo o elevación. Todos estos elementos permite la distribución del agua tratada o potabilizada a las viviendas o consumidores con uncaudal y a luna presión determinadas.Red Distribuidora La obra de distribución representa entre el 50 al 80 % del costo total de un sistema de provisión de agua potable, dedonde podemos deducir la importancia que tiene la realización de un buen diseño que permita cumplir con su cometido almenor costo posible. El diseño de la red puede responder a los siguientes criterios:  Malla abierta: el tendido de la cañería es lineal. Cada punto de la red se alimenta desde una sola dirección. Los cortes del servicio pueden llegar a afectar una gran extensión, y en los finales de las cañerías se producen zonas de aguas muertas, es decir sin circulación , que pueden llegar a afectar la calidad del agua por la posibilidad de contaminación en dichas zonas que luego se propaga al resto de la red. En la figura 7-1 se observa un esquema de red o malla abierta.  Malla cerrada: el diseño consiste en un marco de malla, cuadrado o rectangular que circunda el área a servir. Las dimensiones de sus lagos se establecen entre los 300 metros como mínimo y los 600 metros como máximo. Dentro de los marcos de malla, cuyas cañerías se denominan Principales o Maestras, se ubican las cañerías Secundarias o Distribuidoras, las que se caracterizan por estar vinculadas exclusivamente en los lados opuestos del marco de malla, con lo que se logra el ingreso de agua desde ambos extremos, eliminando la posibilidad de producir zonas de aguas muertas. En ambos extremos de la unión con el marco de malla seVersión: 2005 Página 2
  3. 3. Ingeniería Sanitaria- UTN - FRRO Docente: Ing. Jorge A. Orellana coloca una válvula esclusa, cuya finalidad es la de permitir, cuando razones operativas así lo requieran, aislar total o parcialmente la cañería con la menor afectación posible del servicio. Las cañerías secundarias no están vinculadas entre sí. En la figura 7-2 se observa un esquema de malla cerrada. Figura 7-1 Ejemplo de Malla Abierta Figura 7-2 Ejemplo de Malla Cerrada En cuanto a la clasificación de las cañerías según la función que cumplen es:  Principales o Maestras: son las cañerías de diámetro superior al mínimo, cuyos diámetros surgen del cálculo correspondiente. Aquellas con diámetros mayores a 250 mm, no permiten conexiones domiciliarias, por lo que es necesario colocarles paralelamente una cañería, denominada subsidiaria, de diámetro mínimo.  Secundarias o Distribuidoras: son las que cubren toda el área comprendida dentro del marco de malla cerrada, en el caso de ese diseño o distribuyen el agua hasta los consumidores en el caso de las mallas abiertas. Estas cañerías no se calculan, simplemente se les asigna el diámetro mínimo. El diámetro mínimo de las cañerías secundarias se determina previamente en base a pautas establecidas por losorganismos con competencia en el tema. De todas maneras dichos organismos han establecido esos diámetros mínimos, enfunción de la experiencia adquirida y a cálculos basados en consumos estadísticos y longitudes máximas de las mismas. Así, Obras Sanitarias de la Nación (OSN), entidad que dio origen a los entes que actualmente proveen o controlan enservicio de agua potable y saneamiento en todo el país, fijaba como mínimo el diámetro de 75 mm. A su vez el Servicio Nacional de Agua Potable (SNAP), organismo que fue creado para promover el abastecimiento deagua, a pequeñas poblaciones y donde el servicio es actualmente prestado por cooperativas o por las comunas, establecediámetro mínimo entre 50 y 60 mm, según sea la población inferior o superior a 3000 habitantes. Es conveniente evaluar si la densidad de la población puede hacer necesario aumentar el diámetro mínimo, aunque lapoblación total sea pequeña.Versión: 2005 Página 3
  4. 4. Ingeniería Sanitaria- UTN - FRRO Docente: Ing. Jorge A. Orellana También es aplicado en muchos países el criterio que relaciona directamente los diámetros mínimos con la poblacióntotal a servir según se aprecia en la tabla 7-3. Tabla 7-3 Diámetros mínimos según cantidad de habitantes Población (Habitantes) Diámetro mínimo 20.000 60 mm. 20.000 a 150.000 75 mm. 150.000 a 750.000 100 mm.Presión Mínima y Máxima La presión mínima se fija previamente teniendo en cuenta las características de la edificación dominante, debiendocumplirse esta condición para todos los puntos de la red. Debe consultarse también las reglamentaciones existentes a nivelprovincial o municipal. Por lo tanto puede suponerse que, de cumplirse esta condición en el punto mas desfavorable de la res, que es aquel queestá a cota mas elevada o a mayor distancia del punto inicial de la red o ambas condiciones, se cumplirá para toda la red. Sinembargo, se deberá trazar la piezométrica de cada ramal, para verificar dicho cumplimiento, especialmente cuando en laaltimetría del terreno se observan variaciones importantes o cuando la red sea muy extensa. Los criterios mas usados son los indicados en la tabla 7-4. Tabla 7-4 Presiones mínimas Organismo Características Presión Mínima Según OSN No tiene en cuenta la población 12 m.c.a. Según SNAP Poblaciones de menos de 3.000 habitantes 6 m.c.a. Poblaciones de mas de 3.000 habitantes 10 m.c.a. También se usa, para poblaciones de cierta importancia, fijar la presión mínima estableciendo que deberá servirse, sinbombeo adicional, a una vivienda de planta baja y dos pisos altos, lo que hace una altura aproximada de 12 a 14 m.c.a. La presión máxima se fija a efectos de evitar altos costos de explotación como consecuencia de un mayor consumo, altaposibilidad de roturas, pérdidas, etc. Por ello se establece dicha presión máxima de servicio en: Pmax = 30 m.c.a. En zonas donde existen desniveles muy pronunciados debe recurrirse a las llamadas plateas, o niveles de mallas,independientes entre sí, excepto por una interconexión que tiene colocada una válvula reductora de presión o una cámararompecarga, que disminuye la presión de llegada, llevándola a valores mas normales.Ubicación de las cañerías Para la ubicación de las cañerías deben tenerse en cuenta varios factores:  Tipo de vereda o pavimento afectado por la obra  Número de conexiones en el tramo  Anchos de los cruces bajo pavimento. Figura 7-5 Instalación con una sola cañeríaVersión: 2005 Página 4
  5. 5. Ingeniería Sanitaria- UTN - FRRO Docente: Ing. Jorge A. Orellana El análisis de estos puntos nos llevará a proyectar la colocación de cañerías por una o ambas veredas o por el centro dela calzada. En la figura 7-5 vemos la instalación por una vereda y en la figura 7-6 se observa un diseño por ambas veredas. Figura 7-6 Instalación con dos cañerías En la figura 7-5 tenemos dos opciones de conexiones, dado que la cañería se encuentra en un costado de la calle debenrealizarse dos tipos de conexiones, las que están a la izquierda denominadas cortas y las que están a la derecha denominadaslargas, que tienen un costo mayor dado que deben atravesar el pavimento. En cambio se observa en la figura 7-6, que ambas conexiones son de las denominadas cortas, pero tiene elinconveniente de que se duplica la longitud de las cañerías lo cual incrementa el costo de la red. Sin embargo, hay que evaluarla posibilidad de colocar dos cañerías cuando el ancho de la calle sea importante, por ejemplo en avenidas y bulevares. También debemos considerar la profundidad de instalación de las cañerías, denominada tapada de cañerías. En la figura7-7, se muestra una cañería en donde se indican las cuatro posibilidades de medir un nivel de cañerías: Trasuno, Intrauno,Intrados y Tasdos. Trasdos e Intrados Intrauno y Trasuno Figura 7-7 Referencia para niveles de cañerías En la figura 7-8, observamos como se mide la tapada en esta caso indicada con la letra t. Nivel Terreno t Figura 7-8 Tapada de cañerías Recordemos que como la circulación del agua dentro de las cañerías se produce por la presión a que es sometida pormedio de un tanque de reserva o por bombeo directo, no sería necesario dotar a las mismas de pendiente. Sin embargo, sedeben proyectar con cierta pendiente para lograr puntos de cota mínima y máxima, desde donde eliminar los sedimentos y elaire que pudiera acumularse en la misma. Pese a ello, es de buen criterio asemejar la pendiente general de la cañería a lapendiente del terreno natural a efectos de minimizar el volumen de excavación, uno de los ítem mas importantes del costo decolocación de la red.Versión: 2005 Página 5
  6. 6. Ingeniería Sanitaria- UTN - FRRO Docente: Ing. Jorge A. Orellana La profundidad de la tapada se indica en la tabla 7-9. Tabla 7-9 Profundidad de tapada de cañerías Lugar Tapada Mínima Bajo vereda 0,80 / 1,00 m Bajo calzada 1,00 / 1,20 m Para regiones de temperatura muy baja el problema no es estructural, sino que deberá considerarse la posibilidad de quela temperatura pueda alcanzar valores bajo cero, lo que congelaría el agua dentro de la cañería y provocaría su rotura pordilatación del agua congelada. Para dichas zonas se aconseja una tapada mínima de: Tmin = 1,50 mts También se deben tener en cuenta todas las normas y disposiciones que las municipalidades y comunas hayanreglamentado, así como también algunos organismos o empresas privadas como las que tienen concesión de los ferrocarriles olos caminos pavimentados bajo jurisdicción nacional o provincial. En la figura 7-10, vemos la tapada mínima en el caso de caminos y en el caso de ferrocarriles. Además se exige que las tuberías que atraviesen caminos o vías férreas deben estar encamisadas como también seindica en la figura 7-10. Figura 7-10 Cruces bajo caminos y ferrocarriles La precaución de encamisar los cruces es debido a las cargas que soportan las obras viales y ferroviarias, que puedenproducir presiones adicionales exteriores sobre la tubería que pueden aplastarla y al final romperla. En ambos casos estos organismos tienen sus reglamentaciones propias respecto al tipo de material y espesor de lacamisa, diámetro en función del diámetro de la cañería distribuidora, revestimiento protector, procedimiento constructivo, etc. También debe tenerse presente que cualquier obra de debamos realizar en jurisdicción de dichos organismos, tendrá quecontar con su previa autorización y que además se deberá pagar un canon que está relaciona con el monto de obra a realizar.Accesorios de la instalación Detallamos a continuación los accesorios que se deben instalar en las cañerías de distribución para hacer posible sumanejo y mantenimiento. Válvula esclusa Cuando se precisa realizar reparaciones en la red, es necesario interrumpir la circulación del agua. En consecuencia,deben disponerse numerosas válvulas con el fin de que solo haya que interrumpir el servicio en una pequeña parte de la red aun mismo tiempo. Las válvulas se colocan generalmente en las esquinas de las calles, donde se produce el encuentro de lascañerías principales con las secundarias. Puede observarse que con esta disposición solo se verían afectados los serviciosconectados a la cañería secundaria entre las dos principales. Para esto se utilizan las válvulas esclusa como la que se muestra en la figura 7-11. Consta básicamente de un vástago yun disco resistentes a la corrosión y unos discos articulados de manera que se acuñen por si mismos, entre los asientos cónicos.Versión: 2005 Página 6
  7. 7. Ingeniería Sanitaria- UTN - FRRO Docente: Ing. Jorge A. Orellana A) Tuerca de accionamiento. B) Vástago. C) Placa prensaestopas. D) Pasadores de placa. E) Caja prensaestopas. F) Cubierta. G) Cuerpo. H) Pasadores sujeción. I) Rótula. J) Compuerta. K) Anillo de compuerta. L) Caja de Compuerta Figura 7-11 Válvula esclusa Las válvulas pueden ser de vástago levantable o no levantable, normalmente abren si se gira a la izquierda y tiene, portanto, una rosca directa, también pueden obtenerse válvulas con paso de rosca invertida. Es muy conveniente que todas lasválvulas de la res sean del mismo tipo, con respecto a la rosca o forma de apertura y cierre, pues de lo contrario se produciránconfusiones durante la operación de las mismas. Las válvulas mas pequeñas tienen generalmente los vástagos deaccionamiento dispuestos en capas como se muestra en la figura 7-12 de modo que no descanse sobre la válvula ninguna partede la caja expuesta a cargas producidas por el tráfico. Es una buena práctica colocar todas las válvulas en cámaras de registro,pero en general, esta forma se adopta únicamente con las de gran tamaño. En general las válvulas se ensayan a una presión de10 kg/cm2. Figura 7-12 Caja de válvula telescópica La mayoría de las válvulas se diseñan para ser instaladas con el eje vertical y pueden no funcionar correctamente si secolocan con el eje inclinado. Si la instalación precisa que el eje esté inclinado, se deben emplear válvulas especialmentediseñadas a ese efecto. Las válvulas de accionamiento frecuente y también las de gran diámetro pueden ser de operación hidráulica o eléctrica.Las válvulas de gran tamaño están sujetas a grandes presiones cuando están cerradas por lo que su apertura por mediosmanuales puede ser dificultosa. En tales casos se instala un sistema de reducción mecánica y una pequeña válvula de by-passpara equilibrar las presiones a ambos lados del disco. Ambos dispositivos son muy útiles, tanto para facilitar la apertura, comopara al reducción del golpe de ariete al cerrar las válvulas. En la figura 7-13 se observa un esquema de lo dichoprecedentemente.Versión: 2005 Página 7
  8. 8. Ingeniería Sanitaria- UTN - FRRO Docente: Ing. Jorge A. Orellana Figura 7-13 Válvula de alta presión y gran diámetro Válvulas de retención Las válvulas de retención permiten que el agua circule en una sola dirección y, generalmente, se emplean para evitar elretroceso del agua al pararse las bombas, o interrumpirse el flujo en las cañerías. Las válvulas de retención que se instalan en elextremo inferior de la cañería de aspiración, se denominan válvulas de pié y sirven para evitar el vaciamiento del conducto aldetenerse el bombeo. Asimismo, se instalan válvulas de retención en el conducto de impulsión a la salida de la bomba parareducir el efecto del golpe de ariete sobre ellas. En la figura 7-14, se muestra un ejemplo de válvula de retención, pero cuandoestas son importantes en cuanto a diámetro, debe diseñarse para que su cierre se realice lentamente, para lo cual suelenincorporar un by-pass para la descarga de agua. Figura 7-14 Válvula de retención Válvulas cónicas o de bola Estas válvulas, tienen un macho o bola que gira en un asiento perfectamente adaptado. Cuando la válvula se abre, unagujero del macho o de la bola coincide con las aberturas del cuerpo, y estas a su vez, son prolongaciones de la tubería en laque se coloca la válvula. La lubricación se realiza con aceite a presión, si el material es metálico, en cambio si se hacen conmateriales sintéticos, tales como neopreno, son de autolubricación. Este tipo de válvula cuyo modelo de macho se ve en lafigura 7-15, se adapta no solo a las conducciones de agua a presión, sino también a las de residuales, aceites, líquidos abrasivosy gases. También pueden obtenerse con aberturas múltiples.Versión: 2005 Página 8
  9. 9. Ingeniería Sanitaria- UTN - FRRO Docente: Ing. Jorge A. Orellana Figura 7-15 Válvula cónica Válvulas de purga y admisión de aire En las conducciones largas se acumula aire en los puntos altos de las mismas, el cual pude interferir la circulación delagua. Por lo tanto, es necesario colocar purgas de aire en dichos puntos. Se han empleado válvulas de accionamiento manual,pero se prefieren los tipos automáticos. En la figura 7-16, a la derecha, se observa una válvula de purga automática, quepermite la salida del aire acumulado cuando este llena la cámara del flotador, queda libre la abertura y deja salir el aire hastaque, al subir el agua de nuevo, eleva el flotador que obtura la salida impidiendo que el agua salga de la tubería. Las válvulasautomáticas, conocidas también con el nombre de válvulas de aire y vacío, dejan entrar el aire en la tubería cuando esta sevacía, evitando así el aplastamiento de la tubería. Vemos un modelo en la figura 7-16, a la izquierda, cuando la presióndisminuye, el flotador baja y destapa la abertura. Cuando se rellena la tubería, el aire se puede escapar. El tamaño de lasmismas depende del material de la tubería, caudal y rapidez con que se vacía la cañería. Figura 7-16 Válvula de purga y admisión de aire Figura 7-17 Válvulas de desagote y limpiezaVersión: 2005 Página 9
  10. 10. Ingeniería Sanitaria- UTN - FRRO Docente: Ing. Jorge A. Orellana Válvulas de desagote y limpieza La válvulas de desagote y limpieza o mejor dicho las cámaras de desagote y limpieza, se disponen en los puntos bajos ,distanciadas unas de otras en no mas de 3.000 metros, con el fin de permitir el desagote de la tubería en cada sector, en caso detener que vaciar algún tramo, ya sea por razones de limpieza, operativas o por alguna rotura sufrida en algún sector. La figura7-17 muestra un esquema de dichas cámaras. Válvulas de mariposa Son muy empleadas en las redes de distribución donde la presión no supere los 9 kg/cm2. Presentan numerosas ventajassobre las válvulas esclusa en las tuberías de gran tamaño, incluyendo su menor costo, menor desgaste por fricción y facilidadesde operación. En la figura 7-18, se observa un modelo que puede ser accionada mediante motorización o manualmente. Figura 7-18 Válvula mariposa Bocas de incendio Estas bocas para incendio o hidrantes, constan de un cilindro de fundición, con una conexión para conectarla a un ramalde la tubería de distribución. En la figura 7-19 se observa un modelo muy usado en EEUU. En la Argentina suele disponerse de una conexión de incendio con una válvula esclusa con una adaptador específicopara las mangueras de bomberos. Dicha conexión suele ubicarse en la vereda en una caja especialmente diseñada a tal efecto yque está debidamente identificada con la leyenda Bomberos. Figura 7-19 Hidrante para incendioVersión: 2005 Página 10
  11. 11. Ingeniería Sanitaria- UTN - FRRO Docente: Ing. Jorge A. OrellanaTécnicas de construcción Veremos a continuación algunos de los aspectos a tener en cuenta durante la construcción de la red de distribución. Excavaciones y rellenos Las zanjas para las cañerías deben alinearse cuidadosamente. Su colocación no precisa una nivelación muy cuidadosa,pero en necesario situarlas a una profundidad suficiente para protegerlas de los daños producidos por el tráfico y evitar lacongelación del agua en climas muy rigurosos. Deberán tenerse en cuenta también las condiciones que puedan producirse en elfuturo, como resultado de la nivelación y pavimentación de las calles, pues de no ser así, quizás haya que volver a instalar lascañerías a mayor profundidad. El ancho de las zanjas debe ser el suficiente para permitir trabajas con holgura alrededor del tubo. En las uniones espreciso ampliar la zanja, estos ensanchamientos son necesarios para facilitar la ejecución de las mismas. En general, las zanjasno necesitan entibaciones, salvo en terrenos muy disgregables. El material de relleno no debe contener cenizas, escombros ni grandes piedras. A partir de los 30 cm por encima delplano superior de la cañería pueden emplearse piedras de tamaño hasta 20 cm. El relleno desde el fondo de la zanja al planocentral de la cañería debe realizarse manualmente, con arena, grava u otro suelo adecuado, asentado en capas de 7 cm yapisonado. Este material debe extenderse hasta cubrir todo el ancho de la zanja. El relleno desde el plano central de la tuberíahasta 30 cm por encima del plano de la cañería, debe realizarse a mano o puede usarse maquinaria, pero muy cuidadosamente. Colocación y manejo de las cañerías Estas operaciones incluyen su descarga de los camiones, el transporte hasta el lugar de colocación o almacenaje en obray su colocación en la zanja. El manejo de las cañerías de pequeño diámetro se facilita mediante una cabria montada en uncamión. Las grúas móviles facilitan también el manejo sobre el terreno. La cañería puede colocarse directamente en la zanja,sin necesidad de arrastrarlo a lo largo de la calle. Si no se cuenta con una cabria, la cañería debe deslizarse desde el acopiohasta el suelo, aunque ello puede dar lugar a roturas. Para colocarlo a mano dentro de la zanja se dispone muna cuerda en cadaextremo de la cañería arrollándolo con una vuelta, los operarios sujetan un extremo de la cuerda pisándolo, y tirando del otro Figura 7-20 Tipos de rellenos de zanjasVersión: 2005 Página 11
  12. 12. Ingeniería Sanitaria- UTN - FRRO Docente: Ing. Jorge A. Orellanaextremo tan uniformemente como sea posible, antes de bajarlo a la zanja.Tal como se observa en la figura 7-20 se empleandiferentes métodos para asentar la cañería en el fondo de la zanja. El empleo de apoyos cimentados, como en los tipos 3 y 4,tiene la ventaja de permitir una mas sencilla alineación y nivelación, pero puede dar lugar a cargas de aplastamiento mayoresque los tipos 1,2 y 5. Si se emplean estos, deben colocarse en los puntos a lo largo de la cañería y dispuestos en suelo que nohaya sido removida y en entalles previamente practicados de modo que sobresalga aproximadamente unos 25 cm del fondo dela zanja a fin de que los calzos soporte solamente una pequeña parte de la carga, el relleno debe apisonarse cuidadosamentealrededor y debajo de la cañerías. El tipo de asentamiento mas recomendable es el tipo 2. Colocación de las válvulas Para impedir daños y asentamientos en las inmediaciones, la colocación debe hacerse sobre una base de hormigón. Lasválvulas deben disponerse en una caja o registro, de modo que puedan operarse rápidamente. Generalmente las válvulas demas de 30 cm diámetro se colocan en registros. En las intersecciones de las grandes tuberías, puede haber 2, 3 o 4 válvulasmuy próximas, en cuyo caso deben reunirse los registros y construir una cámara subterránea para acomodar a todas. Conservación de las válvulas Inspecciones realizadas después de un período de conservación deficiente, han permitido comprobar que el 20 % de lasválvulas esclusa estaban en malas condiciones, por ello es recomendable realizar una inspección regular, lo cual, en algunaspoblaciones se hace anual o semestralmente. Los defectos que se ponen de manifiesto en las inspecciones son de tres tipos:  Válvulas inaccesibles  Válvulas trabadas  Válvulas cerradas La inaccesibilidad se debe a que las válvulas quedan cubiertas con tierra o por el pavimento, o que las cajas han llegadoa llenarse con cierra, con escombros o suciedad. Como las válvulas esclusa deben cerrarse a menudo en el menor tiempoposible, con el objeto de evitar perjuicios y pérdidas de agua por roturas, la importancia de evitar este defecto es manifiesta. Una válvula, puede trabarse por corrosión, especialmente si ha permanecido en una posición fija durante muchos años,de tal manera que no pueda cerrarse, o que el vástago u otro elemento, se hayan roto al cerrarla. Echando aceite lubricantediluido en la llave de la válvula se lubricará la unión entre el vástago de la misma y la empaquetadura, y puede corregirse elproblema. Los sedimentos, que con frecuencia se acumulan en la válvula, producen una obstrucción, que impide un buen ajusteal cerrar. Esta avería puede corregirse accionando con cuidado la esclusa arriba y abajo, y permitiendo que el agua, alincrementar su velocidad, arrastre el sedimento. Las válvulas colocadas con el vástago horizontal no ofrecen esteinconveniente, las válvulas pueden tener fugas alrededor del vástago al accionarlo, lo que hace necesario desmontarlo ydisponer de nuevas empaquetaduras en el cuello. Si las válvulas, no se han normalizado, en lo que se refiere a su giro directo oinverso, deben marcarse para que los operarios no rompan los vástagos, al hacerlas girar en sentido contrario. La inspección también pone de manifiesto si las válvulas que se suponen abiertas están cerradas total o parcialmente.Frecuentemente, después de hacer las reparaciones, los operarios se olvidan de abrir algunas válvulas, o no las abrencompletamente, lo que da origen a una pérdida de presión, que pude no ponerse de manifiesto hasta que produzca por ejemploun incendio. Es buena práctica exigir a los capataces que anoten en las hojas de trabajo, las válvulas que quedan cerradas,rectificando las notas cuando se abren, y conservándolas como un registro permanente de las válvulas. Desinfección de las cañerías de agua, nuevas y viejas Al manipular y colocar las tuberías de agua, es inevitable que se contaminen las de la nueva instalación. Lacontaminación de las tuberías puede producirse durante su almacenamiento en la obra, antes de la apertura de las zanjas, por elfango en el fondo de las zanjas, por el agua contaminada que puede introducirse en la misma. Antes de la desinfección cada tramo de tubería debe limpiarse haciendo circular agua a una velocidad mínima de 0,75m/seg. Es deseable asimismo, el empleo de un bloque de espuma de goma que se hace recorrer la tubería por la misma presión,del agua, o bien arrastrado por un cable. Para la desinfección se han empleado diversos compuestos de cloro, permanganatopotásico, sulfato de cobre y ciertos metales pesados, si bien estos últimos no son muy recomendables por los residuos que seobtienen de la limpieza y desinfección de las tuberías. En cualquier caso, no hay sistema que pueda sustituir a una buena limpieza inicial de las conducciones. Losdesinfectantes no pueden eliminar aquellas bacterias que están protegidas por los sedimentos, por lo que la limpieza con eltapón anteriormente indicado, y la circulación de agua a 0,75 m/seg., debe ser seguida de un llenado del conducto con agua quecontenga una concentración mínima de 1 mg/l de cloro residual libre y se debe conseguir que exista un residual de 0,5 mg/ldespués de 24 hs. Después de estas operaciones se deben efectuar análisis bacteriológicos para confirma que la calidad delagua es correcta. Si el número de bacterias totales excede de 500 por ml, o se encuentras bacterias coliformes, el conductodeberá llenarse con agua que contenga 50 mg/l de cloro disponible y después de 24 horas la concentración remanente nodeberá ser inferior a 25 mg/l. La desinfección debe practicarse también siempre que se hace una reparación o un corte en una tubería existente. Nopueden darse normas fijas en cuanto a los métodos, pero mediante el empleo de bocas de incendio y de grifos especiales para lalimpieza, puede emplearse el método anterior. El desarrollo de las bacterias, puede dar lugar a que el agua procedente de las conducciones existente tenga sabor u olor.Este inconveniente ha sido eliminado destruyendo, o por lo menos reduciendo en gran parte dichos desarrollos, mediante laaplicación de cloro a aquellas partes del sistema de distribución en que se presenta el problema. Mientras se practica lainyección del cloro en las tuberías, se abren las bocas de incendio hasta que el agua que fluye presenta un intenso coloramarillo al ensayarlo con la ortotolidina que detecta el cloro libre.Versión: 2005 Página 12
  13. 13. Ingeniería Sanitaria- UTN - FRRO Docente: Ing. Jorge A. Orellana Limpieza de las cañerías de agua Debido a las acumulaciones de sedimentos y/u óxido, la capacidad de transporte de las cañerías se reducefrecuentemente a cifras muy bajas. La limpieza restablece en una gran parte la capacidad de transporte. A tal fin se utilizanvarios tipos de dispositivos o rastrillos. En cañerías de 20 a 50 años, con la limpieza se consigue restablecer hasta 120 el valor de C en la fórmula de Hazen-Williams, o sea el mismo que para cañerías con 4 años de servicio. Estos altos valores de eficacia no se conservan, sinembargo, pues la cañería ya está parcialmente dañada y su deterioro se hace mas rápidamente ahora, por lo que, hace necesariauna nueva limpieza a los 5 o 6 años.Sistemas de alimentación La red de distribución debe alimentarse de agua potable por medio de los siguientes sistemas:  Tanque elevado  Bombeo directo  Sistema mixto Tanque Elevado Tal como se observa en la figura 7-21, el esquema de la instalación de un tanque elevado, cuya función es mantener unapresión mínima constante en la red. La instalación del tanque tiene una cañería de ingreso, también llamada de impulsión y Figura 7-21 Esquema alimentación de Tanque elevadootra cañería que está conectada a la red de distribución. QB = Pf δ α El caudal de bombeo se calculará, en principio, colocándonos en la peores condiciones, es decir que se tomará el día demayor consumo, es decir Donde:  QB = caudal de bombeo  Pf = población final  δ = dotación diaria  α = coeficiente de pico Como una de las funciones importantes del tanque consiste en absorber los picos de mayor consumo, es posibleproyectar que: QB < Qmax Si como ejemplo, establecemos que el bombeo se realizará durante las 24 horas, el caudal bombeado en m3/h será: Pf δ α QB = ——— 24 Si disminuimos la cantidad de horas de bombeo, se llegará a que el caudal de bombeo sea mayor que el caudal máximo: QB > Qmax Por lo tanto, se deberá adoptar una cantidad de horas de bombeo tal que, además de resultar económica y permitirabastecer el servicio con un buen margen de seguridad, haga uso de la posibilidad que nos brinda el tanque de absorber lospicos de mayor consumo.Versión: 2005 Página 13
  14. 14. Ingeniería Sanitaria- UTN - FRRO Docente: Ing. Jorge A. Orellana Bombeo directo El sistema de distribución recibe la presión que proporciona el sistema de pozos que bombea directamente a la red talcomo se observa en la figura 7-22. Figura 7-22 Esquema de bombeo directo El volumen de agua bombeado será: Vol = QBi . nº horas bombeo Vol = QB1 nº Hs1 + QB2 nº Hs2 + ... + QBn nº Hsn Es decir es la sumatoria del caudal de cada pozo multiplicado por el número de horas de bombeo de cada uno de ellos.Este volumen debe corresponder con el necesario para el abastecimiento de la red. La mayor dificultad de este sistema reside en el control del bombeo, de modo de conseguir una presión uniforme entoda la red, especialmente cuando el bombeo no se realiza desde un solo punto. Para solucionar este problema es indispensable el uso de sistemas reguladores de presión. Cuando se utiliza este sistema se debe exigir que las viviendas tengan tanque individual de reserva, con lo que el calculopuede realizarse con el caudal medio y no con el máximo del día de mayor consumo, representando una considerabledisminución en el costo de la red. Sistema mixto Utiliza el bombeo directo a la red y tiene además un tanque de pulmón, que se llena cuando la presión de bombeoexcede la demanda y entrega dicho volumen cuando se producen los picos de mayor consumo y la presión es menor que laaltura del tanque. La reserva debe calcularse con el caudal máximo horario. En la figura 7-23 se observa un esquema delsistema mixto. Notemos que el tanque pulmón tiene una sola cañería que es a la vez impulsión y de distribución. Figura 7-23 Sistema mixtoCálculo de la red de distribución Comenzaremos ahora con las consideraciones para el calculo de una red de distribución, cualquiera sea el sistema quese haya elegido, se utilizarán todos o algunos de los aspectos que se enumeras a continuación:  Determinación del radio servido  Capacidad del proyecto  Distribución de la población  Trazado de las cañerías principal y secundaria  Ubicación y calculo del tanque elevado  Determinación de los puntos de equilibrio principales y secundariosVersión: 2005 Página 14
  15. 15. Ingeniería Sanitaria- UTN - FRRO Docente: Ing. Jorge A. Orellana  Atribución de cañerías secundarias  Ramales y tramos  Longitud de cañerías principales y secundarias  Determinación de caudales para cada tramo  Dimensionado de las cañerías  Verificación de la diferencia de cierre Determinación del radio servido Para determinar el radio servido debemos conocer todos los aspectos políticos, sociales, técnicos y económicos queinciden en el proyecto. Se trata de conciliar todos ellos de tal manera que su realización sea factible para el mayor número dehabitantes, a un costo razonable. En principio se debe delimitar un radio de servicio inmediato, que puede ampliarse al radio futuro cuando lascondiciones sean favorables. Sin embargo, se debe analizar la posibilidad de reducir sensiblemente el costo per cápita si seejecuta la totalidad de la obra, ya que existen componentes que deben ejecutarse para servir a toda la población, por ejemplo, eltanque, las cañerías principales, salas de bombeo, etc. Capacidad del proyecto Debemos determinar que caudal vamos a necesitar para abastecer a la población futura con la dotación elegida, es decir: Qproy = Pf . δ . α La dotación será fijada por el proyectista, en función de la capacidad económica de la población, potencia del acuífero ocurso de agua a utilizar como fuente de provisión, etc. Calculando la población futura según se ha visto anteriormente. Es conveniente, para una mejor elaboración del proyecto, parcializar la población futura de modo de obtener primero lapoblación futura del radio inmediato a servir y la población futura del radio posterior a servir. Distribución de la población Es importante conocer perfectamente la distribución de la población dentro del radio del proyecto, ya que generalmenteno es uniforme. En caso de no contarse con datos recientes y fiables, se debe realizar un censo de población, para delimitar lasdensidades. Es también de gran importancia contar con un Plan Regulador o Código de Edificación, lo que permitirá una mayorprecisión del proyecto. La población total será la suma de loa habitantes contenidos en las diversas zonas en que se ha dividido la ciudad enfunción de sus densidades diferentes, según se observa en la figura 7-24: Ptot = A . Ωa + B . Ωb + C . Ωc Figura 7-24 Radios servidos y densidades Analizando estos datos se puede llegar a decidir cuales zonas del proyecto se servirán con conexiones domiciliarias ycuales con surtidores públicos. Trazado de las cañería principales y secundarias Tal como se vio anteriormente, se debe decidir entre un sistema de malla abierta o malla cerrada Se diseña el trazado de la cañería de forma que cubra la totalidad del radio del proyecto, fijando el sentido decirculación a cada uno de los tramos. Previamente debemos conocer la ubicación del tanque de reserva o la planta deimpulsión, tal como se verá a continuación Ubicación y características del tanque elevado Existen razones de conveniencia que deben tenerse en cuenta para decidir el sitio de ubicación del tanque:  Coincidencia con el punto de mayor cota del terrenoVersión: 2005 Página 15
  16. 16. Ingeniería Sanitaria- UTN - FRRO Docente: Ing. Jorge A. Orellana  Coincidencia con el centro de gravedad del radio servido  Proximidad con las obras de captación o potabilización. Una ubicación que reúna todas estas condiciones sería la ideal, pero en la realidad las existencias de sitios aptos es muylimitadas, debiendo optarse por la mejor entre varias soluciones imperfectas. Es importante realizar un cálculo previo de la altura del tanque, la que posteriormente debemos ajustar cuando,habiéndose calculado los diámetros de las cañerías, estemos en condiciones de determinar cual será la pérdida de carga real decada uno de los ramales tal como se observa en la figura 7-25. Figura 7-25 Esquema para calculo altura de tanque Por lo tanto, para calcular Ht relaciono las alturas del tanque, y el extremo del ramal cuyas condiciones sean las menosfavorables de la siguiente manera: Cota T + Ht = Cota A + Pmin + Δh Donde son datos:  Cota del punto T (tanque)  Cota del punto A  La presión mínima (Pmin)  La longitud L del ramal Las incógnitas son:  La altura del tanque (Ht)  La pérdida de carga del ramal (Δh) Luego para calcular la altura del tanque Ht debo conocer previamente la pérdida de carga unitaria en el ramal, quedenominaremos J, que nos permite conocer la pérdida de carga (Δh) Sabemos que: Δh = J . L También tenemos el caudal que se puede expresar como: π . D2 Q = V ——— 4 Utilizaremos una simplificación que consiste en adoptar:  D = Dmin  V = 0,50 / 0,60 m/seg. Y aplicando estos datos en la fórmula de Hazen-Williams, me da la pérdida de carga unitaria: Siendo k el coeficiente de rugosidad, que depende del tipo de cañería que utilicemos Q1,85 J = k ——— D4,87 También se podría simplificar aún mas el cálculo, adoptando una pérdida de carga uniforme del 2 ‰ para el ramal mascomprometido, lo que nos permitirá calcular fácilmente la altura de tanque, que luego ajustaremos una vez conocida la pérdidade carga real de cada ramal. Determinación de los puntos de equilibrio principales y secundariosVersión: 2005 Página 16
  17. 17. Ingeniería Sanitaria- UTN - FRRO Docente: Ing. Jorge A. Orellana Se definen como Puntos de Equilibrio, a aquellos donde los flujos de agua que llegan a ese punto desde sentidosopuestos, tienen la misma presión. Por lo tanto se supone que no hay transferencia de caudales y el agua no tiene movimiento. Los puntos de equilibrio se ubican teóricamente, de forma tal que partiendo del tanque y tomando por los caminosdiferentes, la distancia recorrida sea la misma. Como ya se dijo anteriormente, se le debe asignar a cada tramos un sentido de circulación, aún en el caso de quepudieran existir dudas. El criterio empleado mas comúnmente, es suponer que el ingreso de agua se produce de un dolo punto.Otro criterio sería imaginar que el líquido ingresa por ambos extremos, prorrateando su caudal. Un ejemplo se observa en lafigura 7-26. Punto de equilibrio principal: I, II Punto de equilibrio secundario: III, IV Figura 7-26 Atribución de cañerías y Puntos de equilibrio Atribución de cañerías secundarias Dado que las cañerías secundarias son alimentadas por dos tramos diferentes de cañería principal, debemos determinarque parte del caudal aporta cada uno de dichos tramos. Las cañerías secundarias, de igual orientación que están dentro de una misma malla son tratadas con el mismo criterio,consistente en dividirla en dos tramos de forma que cada uno de ellos tenga 2/3 y 1/3 o ¾ y ¾ de su longitud total. A la cañería principal que está mas cercana al tanque se le atribuye la parte mayor. En la figura 7-26 se observa unejemplo de la atribución de cañerías secundarias, en donde están marcadas con un par de líneas paralelas los tramoscorrespondientes de cañerías secundarias atribuidas a las principales correspondientes. Ramales y tramos Ramal es la cañería comprendida entre el tanque y un punto de equilibrio. Pueden estar constituidos por uno o variostramos. El tramo se define como parte de un ramal que posee el mismo diámetro e igual dirección. Longitud de cañerías principales y secundarias Para determinar la longitud total de cañería de una red, se debe sumar la longitud de cada uno de los tramos de cañeríaprincipal que la componen a los que se les ha adicionado la longitud de cañería secundaria atribuida a ellos. Este dato no permitirá conocer el Gasto Hectométrico (GH), fundamental para el cálculo del sistema de distribución.Este gasto hectométrico o gasto por hectómetro, se calcula por la relación: Qproy GH = ———— LtotVersión: 2005 Página 17
  18. 18. Ingeniería Sanitaria- UTN - FRRO Docente: Ing. Jorge A. Orellana Determinación de caudales para cada uno de los tramos Si tomamos un ramal cualquiera de la instalación propuesta en la figura 7-26 por ejemplo el representado en la figura 7-27. Figura 7-27 Ramal a calcular Comenzamos el cálculo por el tramo que finaliza en el punto de equilibrio, considerando, la longitud de su cañeríaprincipal mas la secundaria atribuida a ese tramo. Figura 7-28 Flujo de caudales Si analizamos el flujo del agua en ese tramo tal como se indica en la figura 7-28 definimos primero los siguientes datos:  Ge = gasto en extremidad  Gr = gasto en ruta  Gt = gasto total Y en este tramo tenemos:  Ge = 0  Gr = Σli . GH  Gt = Ge + Gr Donde Li son las longitudes de cañerías primarias y secundarias y GH el gasto hectométrico ya calculado. Ahora tomamos el siguiente tramo IV-C tal como se indica en la figura 7-29. Figura 7-29 Tramo siguiente a calcular Analizando este tramo podemos ver que el Gt del tramo I-IV es elGe del tramo IV-C, con lo que estamos encondiciones de calcular el Gt del tramo I-IV, a su vez el tramo I-IV será el el Ge del tramo C-B y así sucesivamente con todoslos tramos hasta llegar al tanque. Figura 7-30 Gráfico de caudales reales y de calculo Si graficamos el diagrama de caudales, que vemos en la figura 7-30, se observa que es de tipo trapezoidal. Como nosería posible realizar el cálculo con un gasto que varía permanentemente a lo largo de la cañería, se recurre a un gasto artificialllamado Gasto de Cálculo (Gc), que surge de suponer uniforme el gasto en todo el tramo, y está dado por la relación:Versión: 2005 Página 18
  19. 19. Ingeniería Sanitaria- UTN - FRRO Docente: Ing. Jorge A. Orellana Gc = Ge + 0,55 Gr Método de Cross para el análisis de caudales en una red de cañerías Este método, que fue desarrollado por el profesor Ardí Cross, consiste en suponer una distribución del caudal en una redy en compensar las pérdidas de carga resultantes. Se emplean las fórmulas de determinación de las pérdidas de carga en lascañerías, y se hacen sucesivas correcciones de los caudales hasta que las pérdidas de carga quedan prácticamente compensadas. Se pueden emplear las fórmulas de Manning, Chezy y Hazen-Williams. En términos generales pueden expresarse comosigue: h = k Qx Donde:  h = es la pérdida de carga  Q = caudal circulante  k = es una constante que depende del tamaño de la cañería, de sus condiciones internas y de las unidades empleadas La fórmula de Hazen-Williams escrita en esta forma será: h = k Q1,85 Siguiendo el análisis de Cross, se puede decir de cualquier cañerías en un circuito que: Q = Q1 + Δ Donde:  Q = cantidad real de agua circulante  Q1 = es la cantidad supuesta de agua circulante  Δ = la corrección del caudal necesario Entonces queda: kQx = k (Q1 + Δ)x = k [Q1x + xQ1 (x-1) Δ +....] Los restantes términos de la serie pueden despreciarse si Δ es pequeño en comparación con Q. Para un circuito la sumade pérdidas de carga debe ser cero: Σ k Qx = 0 Por lo que: Σ k Qx = Σ k Q1x + Σ k x Q1(x-1) Δ = 0 De donde se deduce: - Σ k Q1x –Σh Δ = ————— = ————— Σ x Q1(x-1) k Σ(h/Q) El procedimiento puede resumirse como sigue:  Supóngase una distribución cualquiera de caudal en cuanto a cantidad y sentido de flujo. La suma de los caudales que llegan a cualquier conexión debe ser igual a la suma de los caudales salientes.  Calcúlese la pérdida de carga en cada cañería por medio de una ecuación o diagrama. Se adopta el convenio que los caudales en el sentido de las agujas del reloj son positivos y producen pérdidas de carga positivas.  Teniendo en cuenta el signo, calcúlese la pérdida de carga total a lo largo de cada circuito:  Calcúlese, prescindiendo del signo, para el mismo circuito, la suma de: Σ h = Σ k Q1x  Para compensar las pérdidas de carga en cada circuito, se emplean el la ecuación: Σ k xQ1(x-1)Versión: 2005 Página 19
  20. 20. Ingeniería Sanitaria- UTN - FRRO Docente: Ing. Jorge A. Orellana - Σ k Q1x –Σh Δ = ————— = ————— Σ x Q1(x-1) k Σ(h/Q) Al caudal de casa línea. Las líneas comunes a dos mallas han de corregirse para cada malla teniendo en cuenta el signo. Se observará que las cargas que constituyen Σ k Q1x Se pueden obtener directamente del nomograma de la figura 7-34, si se supone que C = 100. También puede demostrarse que la solución no depende de C, es decir, que la distribución de caudales será la mismasiempre que se emplee el mismo valor de C para todas las cañerías de la red. La aplicación del método se ilustra con elsiguiente ejemplo. Figura 7-31 Método de Cross - Malla con caudales originales La figura 7-31 es una red que se ha simplificado por eliminación de las cañerías mas pequeñas que forma la malla. Elpunto G, que es el mas desfavorable por lo que se refiere a la pérdida de carga, se supone que la demanda de un incendio masel consumo doméstico exigen 14.000 l/min. En los otros puntos señalados con letras se estima que las cantidades indicadasserán las necesarias para satisfacer el consumo doméstico normal. Estos puntos se escogen en los cruces de las cañeríasprincipales mayores, en caso existir o bien en puntos intermedios entre dichas intersecciones. En ambos casos la cantidad deagua necesaria se obtiene proporcionalmente al área suministrada y a la densidad de población de la misma. Estas demandassolo pueden ser aproximadas, y su mayor o menor exactitud depende de la experiencia y criterio del ingeniero. El agua entra enel sistema por el punto A y la cantidad es igual a la demanda total para incendios y uso doméstico. Se supone que el valor de Cde la fórmula de Hazen-Williams es 100. En la figura 7-31, la red simplificada, se indican también las demandas supuestas, las diferentes cañerías y suscorrespondientes diámetros. La figura 7-32 indica los pasos realizados en el estudio del sistema. En primer lugar se suponensentidos y cantidades en cada cañería, recordando que los caudales entrantes y salientes en cada cruce deben ser iguales. Secalcula luego el circuito principal y se corrige por el Método de Cross, así como los restantes circuitos, empleando lascantidades corregidas del circuito principal. Se hace una segunda corrección, y si es necesario, una tercera, hasta que dichacorrección sea menor de 200 l/min, que es la máxima exactitud que cabe esperar del uso del nomograma visto. En la figura 7-32, la red se subdivide en tres mallas: ABHI, BEFGH y BCDE. Puede utilizarse cualquier otro sistema, talcomo el ABCDEFGHI, ABHI Y BCDE, siempre que todas las líneas incluyan una malla por lo menos. Normalmente es masVersión: 2005 Página 20
  21. 21. Ingeniería Sanitaria- UTN - FRRO Docente: Ing. Jorge A. Orellanasencillo utilizar mallas internas, como en la figura 7-32, por lo que este es el procedimiento seguido aquí. En cada línea seindican las direcciones, indicadas con un (1) y las magnitudes de los caudales. Figura 7-32 Método de Cross – Malla con caudales corregidos La tabla 7-33 ilustra, el sistema de tabulación a emplear en los cálculos. Se entra con los caudales estimados, diámetrosy cañerías y se determina la pérdida de carga unitaria para las condiciones de caudales supuestos, por medio del nomograma,las pérdidas de carga se calculan teniendo en cuenta su signo y se divide la correspondiente a cada línea por su caudalsupuesto. A continuación, se suman las pérdidas de las líneas integrantes de una malla y las pérdidas divididas por suscorrespondientes caudales. Como se indica, las correcciones resultan ser: ΔI = + 2,9 m3/min ΔII = + 1,4 m3/min ΔIII = -0,1 m3/min Las correcciones se aplican a cada línea de cada malla. Por tanto, 2,9 m3/min en sentido directo, se añaden a cadacañería de la Malla I, 1,4 m3/min, en el mismo sentido, a las de la Malla II y 0,1 m3/min en sentido contrario a las de la MallaIII. Las cañerías comunes a dos mallas reciben dos correcciones. Al caudal supuesto de la línea BH, se le añaden 2,9 m3/min.A la izquierda y 1,4 m3/min a la derecha para obtener una corrección neta de 1,5 m3/min, en la dirección supuestainicialmente. La línea BE es tratada de forma similar, resultando una correción neta de 1,5 m3/min, en la dirección supuestainicialmente. Tabla 7-33 Análisis Hardy Cross – Primera corrección Malla I Caudal Diámetro Longitud h h/Q Línea S m3/min m m m m/m3/min AB 13 0,40 1.250 0,0110 13,75 1,058 BH 2 0,25 1.100 0,0033 3,63 1,815 HI - 9,8 0,30 1.000 - 0,0260 - 26,00 2,653 IA - 12 0,30 1.000 - 0,038 - 37,80 3,150 Totales - 46,43 8,676Versión: 2005 Página 21
  22. 22. Ingeniería Sanitaria- UTN - FRRO Docente: Ing. Jorge A. Orellana - 46,62 ΔI = - —————— = 2,9 1,85 (8,676) Malla II Caudal Diámetro Longitud h h/Q Línea S m3/min m m m m/m3/min BE 7,5 0,35 400 0,0075 3,00 0,400 EF 7,0 0,35 600 0,0066 3,96 0,566 FG 4,7 0,30 1.000 0,0067 6,68 1,423 GH - 9,3 0,30 1.250 - 0,0236 - 29,54 3,177 HB - 2,0 0,25 1.100 - 0,0033 - 3,63 1,815 Totales - 19,53 7,381 - 19,53 ΔII = - —————— = 1,4 1,85 (7,381) Malla III Caudal Diámetro Longitud h h/Q Línea S m3/min m m m m/m3/min BC 1,5 0,20 500 0,0058 2,91 1,937 CD 1,0 0,20 400 0,0028 1,10 1,110 DE - 0,5 0,20 500 - 0,0008 - 0,38 0,762 EB - 7,5 0,35 400 - 0,0075 - 3,00 0,400 Totales 0,63 4,209 0,63 ΔII = - —————— = - 0,1 1,85 (4,209) Una vez corregidos los caudales, estos ha de ser analizados de nuevo de la misma manera y se obtienen una nuevascorrecciones que se indican en la tabla 7-34. El procedimiento se repite como se indica en la tabla 7-35, hasta que lascorrecciones obtenidas son pequeñas, en esta caso de 0,2 m3/min. La aplicación de las correcciones finales resulta en laobtención de los caudales en la red compensada. Las pérdidas de carga entre dos puntos cualquiera se pueden calcular pormedio del nomograma y la distribución de presiones puede determinarse a partir de las pérdidas de carga, la presión en lasbombas y las cotas de las cañerías. Tabla 7-34 Análisis Hardy Cross – Segunda corrección Malla I Caudal Diámetro Longitud h h/Q Línea S m3/min m m m m/m3/min AB 15,9 0,40 1.250 0,0157 19,65 1,236 BH 3,5 0,25 1.100 0,0094 10,34 2,954 HI - 6,9 0,30 1.000 - 0,0136 - 13,60 1,971 IA - 9,1 0,30 1.000 - 0,0227 - 22,70 2,495 Totales - 6,31 8,656 ΔI = 0,4 Malla II Caudal Diámetro Longitud h h/Q Línea S m3/min m m m m/m3/min BE 9,0 0,35 400 0,0105 4,20 0,467 EF 8,4 0,35 600 0,0093 5,58 0,664 FG 6,1 0,30 1.000 0,0108 10,80 1,770 GH - 7,9 0,30 1.250 - 0,0175 - 21,88 2,769 HB - 3,5 0,25 1.100 - 0,0094 - 10,34 2,954 Totales - 11,64 8,624 ΔII = 0,7 Malla III Caudal Diámetro Longitud h h/Q Línea S m3/min m m m m/m3/min BC 1,4 0,20 500 0,0051 2,55 1,821 CD 0,9 0,20 400 0,0023 0,92 1,022 DE - 0,6 0,20 500 - 0,0011 - 0,55 0,917 EB - 9,0 0,35 400 - 0,0105 - 4,20 0,467 Totales - 1,28 4,227 ΔII = 0,2 En algunos casos puede ocurrir que la dirección asumida del caudal sea incorrecta. En tal circunstancia, el método darálugar a correcciones de magnitud superior al caudal original y en los cálculos sucesivos se producirá una inversión del sentido.Incluso, cuando la suposición inicial de los caudales es muy deficiente, la convergencia de los resultados es generalmenterápida. Solamente en casos muy raros se precisa hacer mas de tres iteraciones. El método es aplicable tanto a sistemas nuevosVersión: 2005 Página 22
  23. 23. Ingeniería Sanitaria- UTN - FRRO Docente: Ing. Jorge A. Orellanacomo para la evaluación de los cambios que se prevé realizar en un sistema existente. Por ejemplo, si un sistema diseñado enforma tentativa, como el de la figura 7-31, se quisiera determinar la presión residual en G si la presión estática en A es de 6,5kg/cm2, la pérdida de carga para cualquier itinerario es 49 m.c.a. o 4,9 kg/cm2. Por lo tanto la presión residual en G es de 1,70Kg/cm2 o 17 Tabla 7-35 Análisis Hardy Cross – Tercera corrección Malla I Caudal Diámetro Longitud h h/Q Línea S m3/min m m m m/m3/min AB 16,3 0,40 1.250 0,0165 20,63 1,265 BH 3,2 0,25 1.100 0,0080 8,80 2,750 HI - 6,5 0,30 1.000 - 0,0122 - 12,20 1,877 IA - 8,7 0,30 1.000 - 0,0209 - 20,90 2,402 Totales - 3,67 8,294 ΔI = 0,2 Malla II Caudal Diámetro Longitud h h/Q Línea S m3/min m m m m/m3/min BE 9,5 0,35 400 0,0116 4,64 0,488 EF 9,1 0,35 600 0,0107 6,42 0,705 FG 6,8 0,30 1.000 0,0132 13,20 1,941 GH - 7,2 0,30 1.250 - 0,0147 - 18,38 2,552 HB - 3,2 0,25 1.100 - 0,0080 - 8,80 2,750 Totales - 2,92 8,436 ΔII = 0,2 Malla III Caudal Diámetro Longitud h h/Q Línea S m3/min m m m m/m3/min BC 1,6 0,20 500 0,0066 3,30 2,063 CD 1,1 0,20 400 0,0033 1,32 1,200 DE - 0,4 0,20 500 - 0,0005 - 0,25 0,625 EB - 9,5 0,35 400 - 0,0116 - 4,64 0,488 Totales - 0,27 4,376 ΔII = 0,03m.c.a, la cual es adecuada, suponiendo que G y A están a la misma cota. Si este no fuera el caso, el cálculo ha de modificarsepara tener en cuenta la diferencia de presiones estáticas. Si la presión en G resultante, fuera inadecuada sería necesario aumentael diámetro de algunas cañerías y volver a repetir los cálculos. Dimensionamiento de las cañerías Habiéndose determinado el Gasto de Cálculo (Gc) y las Pérdida de Carga Teórica (Jt) para cada tramo, se podrácomenzar a calcular los diámetros de las cañerías. Podemos hacer uso de varias fórmulas o de los ábacos y planilla elaboradas en base a esas fórmulas. Una de ellas, de lasmas utilizadas, es la de Hazen-Williams, que ya hemos visto y podemos aplicar directamente Q1,85 J = k ——— D4,87 También con ella, se ha elaborado un ábaco que presentamos simplificado en la figura 7-36, a fin de explicar la formade usarlo. Este ábaco es de doble entrada siendo Jt y Gc, los datos que permiten la determinación del diámetro, representadopor las líneas oblicuas. Si ambas coinciden sobre un diámetro, o muy cercano a el, no puede haber ninguna duda, pero en cado de que lacoincidencia no exista, se estila adoptar el diámetro menor en los tramos cercanos al tanque y en los tramos mas alejados eldiámetro mayor. La limitación en la elección del diámetro, suele ser mayor ya que además debemos ajustarnos a los diámetroscomerciales existentes en el mercado. Luego con los diámetros comerciales adoptados, debemos graficar la piezométrica real de todos los ramales. Se deberá verificar que en todo los puntos la presión disponible sea igual o mayor que la presión mínima adoptada.Versión: 2005 Página 23
  24. 24. Ingeniería Sanitaria- UTN - FRRO Docente: Ing. Jorge A. Orellana Figura 7-36 Esquema de ábaco de calculo de cañerías Nomograma para calculo de cañerías Veremos a continuación otro método de cálculo de cañerías, puesto que la circulación en las cañerías empleadas en lared de distribución es turbulenta, los factores de rozamiento dependen de la rugosidad de mas mismas y también del número deReynolds, el cual, a su vez depende en parte de la velocidad del agua en la cañería y del diámetro de esta. Hay muchas fórmulas para determinar las pérdidas de carga, en relación con la velocidad del agua en las cañerías, perode todas ellas, la de Hazen-Williams es la mas generalmente usada en los proyectos de sistemas de distribución. V = k (C) r0,63 s0,54 Donde:  V = velocidad del agua en m/seg  C = es la constante que depende de la rugosidad relativa de la cañería  r = es el radio hidráulico de la cañería en metros  s = es el gradiente hidráulico  k = es un coeficiente experimental de valor 0,849 Los exponentes de la fórmula los seleccionaron los investigadores y representan las condiciones promedio, basadas enestadísticas experimentales de cañerías y canales empleados ordinariamente en la práctica de los abastecimientos de aguas. En la tabla 7-37 se observan valores del coeficiente C para distintos tipos de cañerías. Aunque la fórmula de Hazen-Williams es fácil de utilizar, el sistema que mas se emplea es la utilización delnomograma de la figura 7-38, que se basa en considerar a C = 100 aunque puede servir para cualquier tipo de cañeríasiguiendo el sistema que se describe a continuación. Tabla 7-37 Coeficiente para la fórmula de Hazen-Williams Descripción de la cañería Valores de C Extremadamente lisa y recta 140 Fundición nueva 130 Fundición después de 5 años 120 Fundición después de 10 años 110 Fundición después de 20 años 90 – 100 Fundición después de 30 años 75 – 90 Revestida de hormigón 120 – 140 Plástico 150 Fibrocemento 120 – 140 El diagrama puede emplearse para calcular la velocidad, o el caudal cuando se conocen el diámetro de la cañería y lapérdida de carga unitaria, para determinar la misma para un caudal o velocidad y diámetro dados, o para determinar eldiámetro cuando se conocen el caudal y la pérdida de carga. Trazando una línea recta que una los datos conocidos, los datos acalcular se leen en la intersección de esta línea con las otras escalas. Por ejemplo, suponiendo una tubería de 200 mm dediámetro y 1.500 m de longitud que transporte 2 m3/min, trazando una línea que una el caudal en la escala de la izquierda conel diámetro de la segunda escala, la pérdida de carga por unidad de longitud puede leerse en la intersección con la terceraescala y la velocidad en la cuarta. El valor de resultante de S = 10 x 103 con lo que la pérdida de carga es de 15 m.c.a.. Deigual manera puede calcularse el diámetro de la cañería cuando se conocen el caudal y la pérdida de carga. Por supuesto que eldiámetro a seleccionar debe ser el diámetro comercial. Para la aplicación del nomograma de la figura 7-38 a cañerías con valores de C distintos de 100, los valores obtenidospor medio de aquella deben multiplicarse por los factores resultantes de las fórmulas que se dan a continuación. Dados el caudal y el diámetro, hallar S por medio del nomograma y aplicar:Versión: 2005 Página 24
  25. 25. Ingeniería Sanitaria- UTN - FRRO Docente: Ing. Jorge A. Orellana Figura 7-38 Nomograma para cañerías de fundición (C = 100) S = S100 (100/C)1,85 Dados el caudal y S, hallar el diámetro por medio del nomograma y realizar: d = d100 (100/C)0,38 Dados el diámetro y S, hallar el caudal por medio del nomograma y aplicar: Q = Q100 (C/100) La fórmula de Manning 1 V = — R 2/3 S ½ n Donde:  n = coeficiente experimental  R = radio hidráulico  S = pendiente o gradiente hidráulico También es aplicable a las cañerías si se eligen los valores adecuado de n.Versión: 2005 Página 25
  26. 26. Ingeniería Sanitaria- UTN - FRRO Docente: Ing. Jorge A. Orellana Verificación de la diferencia de cierre La diferencia de cierre se establece en los puntos de equilibrio, y se define como la diferencia entre las cotaspiezométricas de cada uno de los ramales que concurren a ese punto. La diferencia de cierre máxima deberá estar entre 0,50 a 1,00 mts. Si la diferencia de cierre resulta mayor se la deberácorregir, para lo cual podemos utilizar dos procedimientos:  Modificar los diámetros de las cañerías en alguno o ambos ramales que llegan al punto de equilibrio. La técnica utilizada consiste en equiparar la presión disponible de cada uno de los ramales, en el punto de equilibrio con la presión mínima. Si está por debajo se aumentará el diámetro de uno o varios tramos, y si está por encima se disminuirá el diámetro del alguno de sus tramos, cuidando que el mismo sea capaz de conducir el caudal proyectado.  Cambiando la posición de los puntos de equilibrio, trasladándolo hacia el ramal que tiene menor cota hasta que se iguales o la diferencia de cierre esté dentro de los límites adoptados. Finalmente se debe verificar que exista coherencia en los diámetros adoptados, debiendo proyectarse la disminución delos diámetros en forma gradual.Tanque elevado El tanque elevado o de distribución tiene las siguientes misiones:  Proporcionar la presión necesaria a la red, para lo cual deberá tener la altura suficiente.  Contener el volumen de reserva que permita absorber los picos de consumo.  Compensar con el volumen contenido en su cuba, las diferencias entre alimentación y distribución En la figura 7-39 se observa un esquema de la instalaciones necesarias para un tanque elevado. Figura 7-39 Tanque elevado detalle de cañerías Cálculo del diámetro de las cañerías y volumen de la cuba Recordando que la altura del tanque, ya la hemos visto anteriormente, ahora veremos el cálculo de las cañerías yvolumen de la cuba. Para el cálculo de los diámetros de las cañerías de bajada y subida, debemos tener en cuenta que los mismos serán enfunción de:  El caudal máximo del día de mayor consumo (Qmax)  El caudal de bombeo (QB)  La velocidad (V), se trabaja con entornos de 0,50 a 1,50 m/seg En función de estos parámetros podemos decir que la cañería de bajada tiene la sección que se calcula con:Versión: 2005 Página 26
  27. 27. Ingeniería Sanitaria- UTN - FRRO Docente: Ing. Jorge A. Orellana Pf . δ . α Ωbaj = ———— V Es muy común usar el mismo diámetro para las cañerías de subida y bajada. Es posible contar con tablas indicadorasque nos proporcionan los diámetros aproximados de las cañerías de bajada y subida en función de la capacidad del tanque talcomo la tabla 7-40 que se da como ejemplo. Tabla 7-40 Diámetros usuales de cañerías de tanques Capacidad del tanque Diámetro cañería bajada y subida 300 / 500 m3 250 / 300 mm 500 / 700 m3 300 / 350 mm 700 / 1.000 m3 350 / 400 mm 1.000 / 1.300 m3 400 / 500 mm La diferencia de altura entre los niveles máximo y mínimo, llamado tirante, debe limitarse fijándosela entre 5 y 7metros, según vemos en la figura 7-39. Esta altura t, multiplicada por la superficie de la cuba, es la que nos da el llamadovolumen útil del tanque, ya que el volumen por encima del nivel máximo se proyecta por seguridad y el volumen por debajodel mínimo solamente el útil cuando se debe usar toda la reserva por alguna parada total del bombeo. También debemos calcular la cañería de desborde cuyo caudal será: QD = µ. Ωdesb (2 g h)1/2 De donde podemos despejar la sección de la cañería y donde µ es un coeficiente variable entre 0,50 a 0,63 y quedepende del tipo de embocadura del desborde. Cabe aclarar que el caudal de desborde deberá ser mayor que el caudal máximo de bombeo. Como verificación lacañería de desborde debe permitir el vaciado total del tanque en un lapso de 2 a 4 hs. Altura del tanque Si bien ya hemos visto el cálculo de la altura del tanque mas arriba deseamos hacer notar que la manera óptima decalcular la altura del tanque aparte de la ya vista que da prioridad d las pérdidas de carga, es utilizando la gráfica de Camererque se aprecia en la figura 7-41. Figura 7-41 Curva de Camerer Se hacen dos curvas donde se representa el costo de la red en función de la altura del tanque y del costo de bombeo deelevación, también en función de la altura de tanque. Se aprecia también la curva de los costos totales que se obtiene sumandolos costos de la red y del bombeo. Donde se encuentra el valor mínimo del costo total, es el valor óptimo de la altura de tanque.En general la curva da una altura entre 20 y 25 metros. Sin embargo cada proyecto deberá tener un estudio en particular adecuado a su circunstancia y a la topografía del lugar Volumen del tanque El volumen necesario se analiza con el diagrama de Ripol, que se aprecia en la figura 7-42Versión: 2005 Página 27
  28. 28. Ingeniería Sanitaria- UTN - FRRO Docente: Ing. Jorge A. Orellana Figura 7-42 Diagrama de Ripol Se procede de la siguiente manera:  Primero se hace la curva, en este caso una recta de los acumulados de bombeo  Luego se hace la curva de los consumos acumulados  Luego trazamos las tangentes a la curva de consumos, paralelas a la recta de bombeo  La máxima separación entre la tangente y la curva de bombeo nos dará el volumen necesario del tanque. Se considera conveniente adicionar un caudal de revancha como mayor seguridad Cuando no se bombea durante todas las horas del día, el diagrama adopta la forma que se aprecia en la figura 7-43,donde se supone un bombeo desde las 6 hasta las 20 horas. Figura 7-43 Diagrama de Ripol con bombeo parcial Tanto OSN como el SNAP, han elaborado sus propias fórmulas para calcular el volumen del tanque. Así el SNAP fija como volumen de almacenamiento: V = ¼ Pf . δ A su vez OSN utiliza una formula similar:Versión: 2005 Página 28

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